Stort intresse har väckts för höga trähus den senaste tiden. Vi är nu i en tid där höga trähus går från teoretiska koncept till verkliga byggnader. Norge har världens högsta träbyggnad med dess 84 meter över marken. Mjöstårnet i Brumddal har lett till djupare förståelse för de dynamiska parametrar som är viktiga för dess konstruktioner. Men även både i Sverige och Kanada planeras högre flervåningshus i trä. Målet med detta examensarbete är att titta närmare på de utmaningarna som uppstår när man bygger höga trähus. För att kunna utföra undersökningen har litteratur studerats samt har intervjuer genomförts med erfarna aktörer inom byggbranschen som är inriktade inom trähus. En av de största utmaningarna är dynamisk vindpåverkan med hänsyn till träs låga vikt, en annan är brand med tanke på att trä är ett brännbart material. Resultaten visar att massa är det viktigaste faktorn som avgör hur byggnaden påverkas av vindlasten. Genom att öka byggnadens totala massa i överdelen innebär att byggnaden kommer vara tyngre mot toppen. Ju mer massa desto mindre svängningar. Brandproblematiken är något som i stor del redan är löst och man klarar ganska lätt av att uppskatta brandkrav. Dock är det betydligt svårare när det kommer till Br0-byggnader. Resultaten visar att eurokoder är diffust skrivet i hela brandkapitlet då ett högt hus av trä måste överdimensioneras. Slutsatsen visas att trä som bärande stomme är ett utmärkt stomalternativ till betong och stål med tanke på koldioxidutsläpp. Det finns många fördelar med att bygga i trä, bland annat har trä hög hållfasthet i förhållande med sin egentyngd vilket resulterar att transporten blir billigare, det skapar möjligheter att bearbeta med trä inomhus, byggtiden bli kortare då inga torktider behöver beaktas såväl som att trä är ett förnybart material. / There is a great interest in tall timber buildings. We are now in a time when tall timber buildings has gone from theoretical concepts to real buildings. Norway has the world’s tallest timber buildings with it’s 84 meters above the ground. Thanks to Mjöstårnet in Brumddal, we have gained a deeper understanding of the dynamic parameters that are important for these constructions. But also, in both Sweden and Canada, higher multistorey timber buildings are planned. The aim of this work is to take a closer look at the challenges that arise when tall timber buildings are built. In order to be able to carry out the survey, literature has been studied and interviews have been conducted with experienced players in the construction industry who are focused on timber buildings. One of the biggest challenges is the dynamic wind effect with regard to the low weight of wood. While the other is fire considering wood is a combustible material. The results show that mass is the most important factor that determines how the building is affected by the wind load. By increasing the building’s total mass in the upper part means that the building will be heavier towards the top. The more mass, the less oscillations. Fire the problem is something that has largely already been solved and it is quite easy to estimate fire requirements. However, it is much more difficult when it com s to Br0-buildings. The results show that Eurocodes are diffusely written throughout the fire chapter as a tall timber building must over dimension. The conclusion is shown that wood is like a load-bearing frame and is an excellent frame alternative to concrete and steel. There are many other advantages to building in wood, among other things, wood has high strength in relation to its own weight, which results in transport being cheaper, it creates opportunities to process with wood indoors, construction time is shorter.

Tall slender buildings are easily set in motion by wind and earthquakes but by estimating the buildings horizontal natural frequencies in the design phase, these motions can be kept within acceptable boundaries. There are many parameters that decides the natural frequency of a building and it can therefore be difficult to calculate it. There are a few ways though to estimate horizontal natural frequencies of tall buildings and two methods have been tested in this report. Both methods give the frequency of a clamped-free cantilever but one of them requires a single degree of freedom system whilst the other handles a multi degree of freedom system. The methods are called SDOF method and MDOF method in this report. A fictional building was created for this project to be the reference object in the comparison between the two methods SDOF and MDOF. The walls and floors of the building was designed with the support of both an acoustic engineer and a structural engineer to create a realistic building. A building’s natural frequency is dependent of the self-weight, stiffness and height of the building and it was therefore important to design these components with care. The fictional building is called House 1 and is a 10 story, almost square building about 20 m wide and broad and 30 m high. This report does not only compare the natural frequencies obtained from the two different calculation methods, but it also shows the difference in frequency in timber and concrete structures. Shear walls constitutes the horizontal stabilization system of the fictional building and both a CLT core and a concrete core is designed and compared. It is only the walls that comes in two different versions, the floorings consist of CLT boards for both structures tested. The horizontal natural frequencies of House 1 were about 2 Hz and 3 Hz for the CLT version and concrete version respectively. It was expected to get frequencies within that range considering the height of House 1. The CLT core having a lower frequency than the concrete core was also expected since concrete is a stiffer material than wood. To be able to make a fair comparison between the SDOF method and the MDOF method, House 1 was designed with the same dimensions and stiffness on all floors because the SDOF method requires that. The results from the two methods are almost identical with only 0.3 Hz and 0.4 Hz difference for the concrete and CLT respectively. For a shear wall structure with a consistent stiffness, weight and dimension, any of the two methods can be used to estimate the horizontal natural frequency. However, it is not realistic for a building of 30 m or higher, to have the same dimensions on the load bearing structure on all floors which makes the MDOF method more accurate in more cases than the SDOF method. / Höga slanka byggnader kan sättas i svajande rörelser av vind och jordbävningar, men genom att uppskatta byggnadernas horisontella egenfrekvenser i den tidiga konstruktionsfasen kan dessa rörelser hållas inom acceptabla gränser. Det är många parametrar som bestämmer byggnadens egenfrekvens och det kan därför vara svårt att beräkna den. Det finns dock några sätt att uppskatta horisontella egenfrekvenser hos höga byggnader och två metoder har testats i denna rapport. Båda metoderna ger frekvensen av en fast inspänd konsolbalk men en av dem kräver ett enfrihetsgradsystem medan den andra kan hantera ett system med flera frihetsgrader. Metoderna kallas SDOF-metoden och MDOF-metoden i denna rapport. En fiktiv byggnad skapades i detta projekt för att vara referensobjekt i jämförelsen mellan de två metoderna SDOF och MDOF. Byggnadens väggar och golv konstruerades med stöd av både en akustiker och en konstruktör för att skapa en realistisk byggnad. Byggnadens egenfrekvens är beroende av byggnadens egenvikt, styvhet och höjd och det var därför viktigt att utforma dessa komponenter med omsorg. Den fiktiva byggnaden kallas House 1 och är en 10 vånings-, nästan fyrkantig byggnad ca 20 m lång och bred och 30 m hög. Denna rapport jämför inte bara egenfrekvenserna erhållna från de två olika beräkningsmetoderna, den visar även skillnaden i frekvens i trä- och betongkonstruktioner. Skjuvväggar utgör det horisontella stabiliseringssystemet för den fiktiva byggnaden och både en KL-kärna och en betongkärna har utformats och jämförts. Det är bara väggarna som skiljer de två olika versionerna åt, bjälklagen består av KL-skivor i båda fallen. De horisontella egenfrekvenserna hos House 1 var ca 2 Hz och 3 Hz för KL-version respektive betongversion. Frekvenser inom detta område var väntade med tanke på höjden av House 1. Att KL-kärnan skulle ha en lägre frekvens än betongkärnan förväntades också eftersom betong är ett styvare material än trä. För att kunna göra en rättvis jämförelse mellan SDOF-metoden och MDOF-metoden, var House 1 utformad med samma dimension och styvhet på alla våningsplan eftersom SDOF-metoden kräver det. Resultaten från de två metoderna är nästan identiska med endast 0,3 Hz och 0,4 Hz skillnad för betong respektive KL. För en skjuvväggskonstruktion med en kontinuerlig styvhet, vikt och dimension kan båda de två metoderna användas för att uppskatta den horisontella egenfrekvensen. Det är dock inte realistiskt för en byggnad på 30 m eller högre att ha samma dimensioner på den lastbärande konstruktionen på alla våningar vilket gör MDOF-metoden mer korrekt i fler fall än SDOF-metoden.

Climate change and densification of cities are two major global challenges. Inthe building and construction industry, there are great expectations that tall timberbuildings will constitute one of the most sustainable solutions. First, verticalurban growth is energy and resource-efficient. Second, forest-based productsstore carbon and have one of the highest mechanical strength to density ratios.If the structural substitution of concrete and steel with wood in high-rise buildingsawakens fears of fire safety issues, engineers and researchers are particularlyworried about the dynamic response of the trendy tall timber buildings.Indeed, due to the low density of wood, they are lighter, and for the same height,they might be more sensitive to wind-induced vibrations than traditional buildings.To satisfy people’s comfort on the top floors, the serviceability design oftall timber buildings must consider wind-induced vibrations carefully. Architectsand structural engineers need accurate and verified calculation methods,useful numerical models and good knowledge of the dynamical properties oftall timber buildings. Firstly, the research work presented hereby attempts to increase the understandingof the dynamical phenomena of wind-induced vibration in tall buildings andevaluate the accuracy of the semi-empirical models available to estimate alongwindaccelerations in buildings. Secondly, it aims at, experimentally and numerically,studying the impact of structural parameters – masses, stiffnesses anddamping – on the dynamics of timber structures. Finally, it suggests how talltimber buildings can be modeled to correctly predict modal properties and windinducedresponses. This research thesis confirms the concerns that timber buildings above 15-20stories are more sensitive to wind excitation than traditional buildings with concreteand steel structures, and solutions are proposed to mitigate this vibrationissue. Regarding the comparison of models from different standards to estimatewind-induced accelerations, the spread of the results is found to be very large.From vibration tests on a large glulam truss, the connection stiffnesses are foundto be valuable for predicting modal properties, and numerical reductions withsimple spring models yield fair results. Concerning the structural models of conceptualand real tall timber buildings, numerical case studies emphasize the importanceof accurately distributed masses and stiffnesses of structural elements,connections and non-structural building parts, and the need for accurate dampingvalues. / Klimatförändringar och förtätning av städer är två stora globala utmaningar. Inom bygg- och anläggningsbranschen finns det stora förväntningar på att höga trähus ska utgöra en av de mest hållbara lösningarna. Dels är vertikal förtätning i städer energi- och resurseffektiv, dels lagrar skogsbaserade produkter kol och har dessutom ett av de högsta förhållanden mellan mekanisk styrka och densitet. Om den strukturella ersättningen av stål och betong med trä i höghus väcker farhågor ur brandsäkerhetssynpunkt, är ingenjörer och forskare särskilt oroliga för den dynamiska responsen i de trendiga högre trähusen. På grund av träets låga densitet blir de lättare, och för samma höjd kan de vara känsligare för vindinducerade vibrationer än traditionella byggnader. För att tillfredsställa människors komfort på de översta våningarna måste projektören av höga trähus noga överväga vindinducerade vibrationer i bruksgränstillstånd. Arkitekter och byggnadsingenjörer behöver noggranna och verifierade beräkningsmetoder, användbara numeriska modeller och goda kunskaper om höga träbyggnaders dynamiska egenskaper. För det första avser detta forskningsarbete att öka förståelsen för den dynamiska effekten av vindinducerade vibrationer i höga byggnader och utvärdera noggrannheten hos de semi-empiriska modeller som finns tillgängliga för att uppskatta byggnadens accelerationer i vindriktningen. För det andra syftar det till att, experimentellt och numeriskt, studera effekterna av strukturella parametrar – massor, styvheter och dämpning – på träkonstruktioners dynamik. Slutligen undersöks hur höga träbyggnader kan modelleras för att korrekt förutsäga modala egenskaper och vindinducerade respons. Denna forskningsuppsats bekräftar farhågorna om att träbyggnader över 15-20 våningar är mer känsliga för vindexcitation än vanliga byggnader med betong- och stålstomme. Några lösningar föreslås för att mildra detta vibrationsproblem. När det gäller jämförelsen av modeller från olika standarder för att beräkna vindinducerade accelerationer visar sig spridningen av resultaten vara mycket stor. Från tester på ett stort limträfackverk visar sig förbandsstyvheterna vara viktiga för att förutsäga modala egenskaper och numeriska reduktioner med enkla fjädermodeller ger rättvisande resultat. När det gäller de strukturella modellerna av konceptuella och verkliga höga träbyggnader, betonar numeriska fallstudier vikten av exakt fördelade massor och styvheter hos byggnadselement, förband och icke-strukturella byggnadsdelar, samt behovet av exakta dämpningsvärden. / Le changement climatique et la densification des villes sont deux défis mondiaux majeurs. Dans le domaine de la construction, les bâtiments en bois de grande hauteur sont perçus comme l'une des solutions les plus durables. D'une part la croissance urbaine verticale est économe en énergie et en ressources, d'autre part les produits forestiers stockent le carbone et ont l'un des rapports résistance mécanique/densité les plus élevés. Si la substitution structurelle du bois au béton ou à l’acier dans les immeubles de grande hauteur suscite des craintes pour les problèmes de sécurité incendie, les ingénieurs et les chercheurs s'inquiètent particulièrement de la réponse dynamique des immeubles en bois de grande hauteur à la mode. En effet, du fait de la faible densité du bois, ils sont plus légers, et à hauteur égale, ils pourraient être plus sensibles aux vibrations induites par le vent que les immeubles traditionnels. Pour satisfaire le confort des personnes aux étages supérieurs, la conception des bâtiments en bois de grande hauteur doit tenir compte judicieusement des vibrations induites par le vent. Les architectes et les ingénieurs en structure ont besoin de méthodes de calcul précises et vérifiées, de modèles numériques utiles et d'une bonne connaissance des propriétés dynamiques des bâtiments en bois de grande hauteur. Premièrement, les travaux de recherche présentés ici tentent d’approfondir la compréhension des phénomènes dynamiques des vibrations induites par le vent dans les immeubles de grande hauteur et d'évaluer la précision des modèles semi-empiriques disponibles pour calculer les accélérations dans la direction du vent. Deuxièmement, ils visent à étudier expérimentalement et numériquement les impacts des paramètres structuraux – masses, rigidités et amortissements – sur la dynamique des structures bois. Finalement, ils suggèrent comment modéliser les bâtiments en bois de grande hauteur pour prédire correctement les propriétés modales et les réponses induites par le vent. Cette thèse de recherche confirme les inquiétudes selon lesquelles les bâtiments en bois de plus de 15-20 étages sont plus sensibles à l'excitation du vent que les bâtiments traditionnels en béton armé ou en acier, et des solutions sont proposés pour atténuer ce problème vibratoire. Concernant la comparaison de différentes méthodes normalisées pour estimer les accélérations induites par le vent, la grande dispersion des résultats n'est pas négligeable. À partir d'essais expérimentaux sur un grand poteau-treillis en lamellé-collé, les rigidités de connexion s’avèrent importantes pour prédire les propriétés modales et les réductions numériques avec de simples modèles à ressort donnent des résultats acceptables. Concernant la précision des modèles structuraux de bâtiments en bois de grande hauteur conceptuels ou réels, des études de cas numériques soulignent l'importance des répartitions exactes des masses et des rigidités des éléments structuraux, des connexions et des éléments de construction non structuraux, ainsi que la nécessité de valeurs d'amortissement précises.